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第14期 染料敏化太陽電池(Dye Sensitized Solar Cell,DSSC)染料專利現況分析與市場分析

December 4, 2008

IPAMA智管會/TSipo戰國策 劉明俊 博士(美國德州州立大學化學博士) 發表/特助 李文強Conway 協助

染料敏化太陽電池簡介

 

太陽能電池的基本原理是某些物質被光照射時其電子的運動加劇;若引導這些電子流經一電路中的電位,即可得到電能。而所謂DSSC(dye-sensitizedsolar cell)「染料敏化太陽能電池」,其基本設計是用奈米尺寸的金屬氧化物半導體的顆粒,以化學方法使其表面吸附染料分子,再將這種顆粒塗布在電池電路的陽極上做為感光層;在感光層和陰極之間則加上一層電解質幫助導電。基於這樣的設計所製成的電池即所謂染料敏化太陽能電池(DSSC)。染料敏化太陽電池是屬於第三代的有機太陽電池,具有低成本與矽薄膜太陽電池能源轉換效率相近的特性。這是因為它選用的原料成本低加上製程容易與簡單的製程設備,可有效的降低太陽電池發電成本至所預測的U$0.2/Wp。1991年第一個高效率染料敏化太陽電池由Prof. M. Gra..tzel於Nature上發表8 %的能源轉換率後,近來其光電轉換效率更提高到11.18 % @ AM1.5,第三代分子級仿生太陽電池於是成為再生能源的主要研發方向之一。此外染料敏化太陽電池不僅成本低廉,僅約傳統矽基材太陽電池成本的1/5∼1/10(視製程與有機材料成本而定),對於商業化推展有相當大的助益,且不受日照角度的影響,加上吸收光線時間長,在相同時間的發電量甚至優於矽晶太陽能電池。此外,矽晶太陽能電池在高溫時的發電效率,也會大打折扣,因此安裝在較高緯度(天氣較冷)地區的成效也比較好,至於染料敏化太陽能電池則是不受溫度影響,因此在日照充足、氣溫炎熱地區,競爭力也會優於矽晶太陽能電池,另一項特點是染料敏化太陽電池具有半透明(Semitransparent)的特性,因此適合於建材化(特別是建築窗材)的整合,相當適用於需要大量空調與照明電力負載的現代化玻璃帷幕大樓,同時作為遮陽、絕熱及發電利用的功能,達到建築物節能與產能的雙重能源效益,極可能成為下一世代廣泛應用的太陽能利用技術,染料敏化太陽電池之應用市場可說相當廣泛,未來於建築屋頂、外牆發電用途,及家電、可攜式電子產品(如電子計算機、手錶、電子字典、手機、NB電腦)等市場商機潛力龐大。

比照太陽能電池,DSSC「染料敏化太陽能電池」有不少的優點,如下:

其一,感光顆粒塗布在陽極上的厚度僅約在微米尺度。而且奈米顆粒分布的方式使得感光層的有效受光表面積約變為電極表面積的100 倍,因此能以極少量物質達到很大的吸光效率。

其二,製造感光顆粒,只需將半導體顆粒浸泡在含染料的溶液中,再用惰性氣體風乾即可;塗布在陽極表面上的平整度也沒有特別要求,製程簡單又便宜。

其三,一般染料在可見光範圍的吸收波段相當大,因此符合以同一元件利用大波段陽光的要求。

其四,DSSC 感光的效率極高。

因此DSSC在轉換光能與電能的時候,具有成本低、效率高、製作簡易以及可塑性高等優勢,是很有希望將損耗降至甚低的元件。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

染料敏化太陽電池構造示意圖

資料來源:特許庁総務部技術調査課 技術動向班 平成17年度 特許出願技術動向調査報告書

專利現況分析

染料敏化太陽能電池(DSSC)技術專利件數前兩名國家為日本與美國(美國公告專利共計172件),合計佔總件數之60.5%(日本佔全體專利件數之37.8%,至2003年止共計286件)。重要競爭公司為日本的富士電機公司、夏普公司、東芝公司、理光公司及「Catalysts & Chemicals Industries Co., Ltd.」。至2008年染料敏化太陽能電池(DSSC)技術相關專利已累積至543件,其assignee與專利件數統計、申請歷年趨勢見下圖:

 

 

 

染料敏化太陽電池之應用市場可說相當廣泛,未來於建築屋頂、外牆發電用途,及家電、可攜式電子產品(如電子計算機、手錶、電子字典、手機、NB電腦)等市場商機潛力龐大。

有關染料敏化太陽能電池關鍵技術之一的染料技術,據了解,目前全球有能力開發染料的公司只有兩家,其中Solaron ix偏向學術研究領域,至於Dyesol則是主要量產廠商,永光則是第三家。從染料的售價來看,上述兩家公司的每公克報價分別為一七六九美元(約新台幣五.七四萬元)和八八四美元(約新台幣二.八七萬元),遠比黃金還要昂貴。未來若能大量取代矽晶太陽能電池,則永光在染料部分的發展空間最被看好。

 

染料敏化太陽電池之商業化,必須加強構成元件/材料之改良外、密封技術、低溫成膜技術、量產化技術等之提升,以及長壽命化、高光電轉換效率、大面積化、低成本化等技術之達成,根據1980-2003年底全世界染料敏化太陽電池之專利申請件數統計資料顯示,提高光電轉換效率、及耐久性等為最重要之專利研發課題;前者主要著重於半導體膜與染料技術,後者則多偏重於電解質等電荷輸送材技術,因此可歸納為三項主要核心技術:

1. 半導體膜

2. 染料技術

3. 電解質等電荷輸送材技術

有鑑於使用於染料敏化太陽電池之染料,與電池之電能轉化效率有直接關係,且永光為台灣唯一從事染料及其他各類特用化學品之著名國際大廠,我們以染料技術切入分析,應用於染料敏化太陽電池之染料可分為兩大類金屬錯合物色素與有機色素,各大類又各分兩類。

 

 

金屬錯合物色素

金屬錯合物色素類中又以釕系列色素類為主流,至2008年為止其技術專利件數約有340件,其assignee與assignee country之統計如下:

 

 

 

 

其中以FUJI PHOTO FILM CO., LTD專利件數45件最多,各國中以美國96件最多,日本則有41件緊追其後,其專利相關資料例舉如下:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

*本專利為一系列之以過渡性金屬Ru為中心的一系列雜環衍生物,此類化合物之優點在於其吸收光譜,與太陽光光譜近似,因此可提高其光電轉換率。

金屬錯合物色素系(釕系列色素類)

金屬錯合物色素系中可用於染料敏化太陽電池之染料,以釕系列色素類為主流,至2008年其相關專利已累積至84件,其assignee與assignee country之統計見下圖:

 

 

 

 

有機色素系

用於染料敏化太陽能電池(DSSC)之另一類染料屬有機色素類,屬較傳統之染料類型,其相關技術專利件數有120件,以CIBA SPECIALTY CHEMICALS HOLDING INC.專利件數最多,其assignee與assignee country之統計見下圖:

 

 

 

擁有專利件數最多的是美國計有23件。

有機色素系(甲基染料色素類)

有機色素系中又以甲基染料色素類為主流,其相關技術專利件數有68件,各國中以美國23件為最多,其assignee與assignee country之統計見下圖:

 

 

 

染料敏化太陽能電池(DSSC)技術專利件數,以CIBA SPECIALTY CHEMICALS HOLDING INC.與FUJI PHOTO FILM CO., LTD.兩家公司較具代表性,FUJI 公司為一老牌生產膠卷,照片打印紙,幹板,和其他感光材料,成立於1934年日本,目前已是一跨國大企業集團公司。 


CIBA公司為一歷史悠久之特用化學品製造公司,產品包括染料、各種塑料添加劑、塗料,成立於1785年,公司總部設在瑞士巴塞爾,該公司擁有超過7千件專利,產業跨足包括汽車、包裝、家庭及個人護理用品、紙張和印刷、建築、電子、水處理和農業等產業。

 

染料敏化太陽電池國外發展現況

染料敏化太陽電池的商品化發展目前以日本最積極投入,不論從專利申請數或論文發表數而言,染料敏化太陽電池的研發活動,在全球屬日本最為活躍。可是若從商品化的層面來看,則只有透明導電膜、氧化鈦漿料(Paste)、封裝膠材等零件材料的少量銷售,其他如染料、電解液則僅是在提供試作樣本的階段。在玻璃基板方面的模組化中,Aisin精機與Fujikura等進行著大面積化、耐久性的測試評估與實用性的發展。在塑膠基板方面的模組化中,Peccell在愛知萬國博覽會(2005年)會場展示30cm×30cm之大型面板的耐久性試驗等,呈現出邁向實用化技術的開發之路。日本以外地區染料敏化太陽電池的商品化源自於接受EPFL專利授權的Solaronix和STI。Solaronix的主要事業是銷售染料、氧化鈦漿料等耗材給各國企業及研究機構,也販售10cm x 10cm的展示模組。STI則在1995年取得專利授權後,經過1999年模組的開發,於2001年完成商業生產規模的發電模組的製造設備。2002年納入了CSIRO及墨爾本大學的大面積染料敏化太陽電池,詳情可參考其網頁的介紹。該公司在2003年與瑞士Greatcell合作,最近並實質地與Dyesol展開整體性的營運(Dyesol-STI)。Dyesol-STI在2005年12月與希臘的企業簽訂合作開發染料敏化太陽電池製造設備的契約,被認為其商業量產的活動相當活躍。在模組方面,與Solaronix與共同研究的荷蘭的ECN則展開單電池12,000小時的安定性驗證工作,在第三屆太陽光世界發電會議中,率先發表其30cm×30cm的試作品,然而此後未再有進一步的報告。此外,德國的INAP也一樣,於1999年以112cm2的電池獲得轉換效率7%的報告,可是之後就無進一步的報告出現。在美國,接受軍方合約的Konarka公司,則強調其以Roll-to-Roll技術進行塑膠薄膜型可撓式染料敏化太陽電池的開發,這在其網頁中有所介紹。此外,在中國、台灣、韓國,於大學或公家機構都有針對基礎研究與邁向實用化的發展上,嘗試製作大面積模組(中國)或塑膠基板(韓國)的染料敏化太陽電池,期待早日能達到實用效果。

 

染料敏化太陽電池國內發展現況

國內工研院自2002年投入染料敏化太陽電池的開發以來,積極建立各元件材料的開發與製程技術,同時積極與國內產學研專家合作,已在國內建立良好的基礎;目前已建立TiO2漿料製作技術、陽極多孔性薄膜與陰極網印製作、離子液體合成、電解質溶液配方、封裝技術與大面積電池10cm×10cm製作等多項自主性技術,並以自行開發之材料製作出高穩定性的染料敏化太陽電池模組,其光電轉換效率已達到世界水準。在10cm×10cm大面積電池開發方面,民國95年主要改變TiO2電極之活性面積,面積設計分為40cm2、60cm2及63cm2三種,較大之活性面積可吸附較多之染料,便可產生較大之光電流,也使單位面積內得到最佳之利用率。三種設計主要製作成電池,測試其特性,瞭解何種電極設計可得到較佳之轉換效率及能量,作為後續模組設計之研究的方向,三種設計為40cm2之TiO2電極寬度為10mm,60cm2之TiO2電極寬度為13mm,63cm2之TiO2電極寬度為7mm。不同TiO2電極寬度會影響電子傳送的阻抗,寬度較寬會造成較大的內電阻,造成短路電流下降,目前寬度7mm可得到較佳的Jsc及F.F.,在MPN系統下,可得最佳電流密度8.46 mA/cm2,也得最佳電量212mW。另外改用黏度較低導電度較佳之電解質液AN系統,得到最佳之電池性能,電池開路電壓為0.73V,電流密度8.70mA/cm2,F.F.為0.58,轉換效率3.68%,電量為228mW。96年至截稿為止,主要再增加電池的活性使用面積,提高電池效率及電量,目前轉換效率可達5.7%。目前國內在能源局、國科會及工研院的整合之下,由學界針對較具基礎研究及前瞻之議題進行深入探討;工業界或相關研究單位則進行製程研發、大尺寸化、製程放大、效率提升及穩定性等實用化相關研究。目前國內工業界以先期研發為主;研究單位則以工研院太陽光電科技中心及學界的研究團隊為主。

 

市場分析與未來趨勢

隨著工業文明的迅速發展,現今世界對能源的需求量逐年大增,使得地球上能源的儲存量逐年快速銳減,因而引發嚴重的能源危機。並因過度使用化石燃料,導致全球溫室效應,致使全球暖化問題日趨嚴重,進而對人類所居住的地球環境造成無可復原的污染。使得再生能源的研究與開發已成為全球性刻不容緩的努力方向。在多種再生能源中,除最被看好的風力發電之外,現階段太陽能發電被認為是較具發展潛力和應用價值的再生能源之一。因此,如何將大自然源源不絕的太陽能有效率地轉換為電能,即成為人類解決能源危機和環境污染的重要途徑和希望。

 
由於用於生產微晶片的矽近期供應吃緊,使得傳統太陽能電池成本與日俱增,而染料敏感化太陽能電池並非以矽製造而成,且可以使用印刷技術製造,預期成本只有用矽生產太陽能電池的5~10%,且能源轉換率達到商業化最低要求的10%。非矽太陽能電池市場預期將在2010年左右成長到一年5000億日元。染料敏化太陽能電池也是台灣未來發展綠色能源的一大契機,由於染料敏化太陽能電池的設備投資金額也不高,單位成本也會較第一、二代便宜,台灣如果能在轉換效率上有所突破(如在染料的光電轉換效率上),優勢自然顯現,預估到2010年,全球新的應用如染料敏化太陽能電池產出僅約70MW(百萬瓦),但到2030年,將大幅增加至133GW(十億瓦),甚至超越矽材太陽能電池,潛力無窮。歐盟預測至2020年,雖然太陽電池技術仍將以結晶矽類型佔約五成領先,薄膜矽太陽電池市佔率將由2010年10%提高為30%、CIS/CdTe將由2010年市佔率5%提高為15%;染料敏化太陽電池(DSC),則將可由2010年市佔率約1%提高為5%。在染料敏化太陽電池相關研發上,目前仍是基礎研究及實用化研發兩者並重,僅有初步的小規模量產,目前尚無穩定市場。前者大多由具學術性的研究單位進行,重點在相關工作原理之基礎研究上;後者部份則多由工業界或相關研究單位進行製程研發、大尺寸化、製程放大、效率提升及穩定性等實用化相關研究,期望於2030年前開發大面積、大量生產之製程技術,達到2010年染料敏化太陽電池效率12%,模組效率6%;2020年染料敏化太陽電池效率15%,模組效率10%,模組製造成本每瓦75日元(75Yen/Wp);2030年染料敏化太陽電池效率18%,模組效率15%,模組製造成本每瓦50日元(50Yen/Wp)。

 

另,經由本專利分析結果顯示,自1970年至1988年已過其之染料敏化太陽能電池染料相關專利,有近百篇,若能仔細分析前人過期之專利,吸取前人經驗,對於目前染料敏化太陽能電池用之染料技術,應有積極正面之效果。

 

資料來源:

  • 2007年能源科技研究發展白皮書, 第6 屆全國工業發展會議

  • 自由時報 2008年6月19日

  • http://www.e-tonsolar.com/edu.htm

  • 孫世勝實驗室Shih-Sheng Sun, Academia Sinica

 

 

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